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1、高地应力软岩隧道施工技术高地应力软岩隧道施工技术李阶智李阶智1、对地应力的初步认识1.1、原始地应力的二个主要因素 a、自重应力y y: 与埋深和围岩容重相关与埋深和围岩容重相关 b、构造应力t t: 主要与地壳运动有关主要与地壳运动有关 软岩容易重新调整，构造应力一般较小软岩容易重新调整，构造应力一般较小 P= y y+ t t1.2、初始地应力场评价指标：围岩强度比 （或地应力比） Pmax围岩最大地应力 Rb围岩抗压强度极高地应力极高地应力高地应力高地应力一般地应力一般地应力法国隧道协会法国隧道协会244中国分级标准中国分级标准477日本新奥法指南日本新奥法指南2662、软岩隧洞开挖后的
2、应力场变化弹性区塑性硬化区塑性软化区塑性流动区2.1、高地应力软岩隧道围岩变化特征2.2、软岩应力应变曲线弹性区塑性硬化区塑性软化区塑性流动区2.3、硬岩应力场变化曲线P2P环向应力0经向应力r0rrRa2 P 理论上无需支护Ra2 P 可能发生岩爆2.4、软岩高地应力的应力场变化曲线P2P环向应力0经向应力r0rr如果Rb2P，必然导致围岩出现塑性变形，甚至出现流变现象3、支护结构承受荷载与围岩位移关系P0（围岩变形）P（支护承受压力）水硬岩软岩极高地应力软岩4、高地应力软岩隧道围岩位移估算4.1、塑性变形区半径 a a隧洞半径（隧洞半径（m)m) P P0 0初始地应力（初始地应力（mPa
3、mPa） R Ra a 围岩抗压强度（围岩抗压强度（mPamPa） CC围岩粘聚力（围岩粘聚力（mPamPa） 围岩内摩擦角围岩内摩擦角 EE围岩弹性模量（围岩弹性模量（mPamPa） rara初期支护承受的围岩压力（初期支护承受的围岩压力（mPamPa）4.2、围岩变形量估算变形量与原始地应力、隧洞半径、围岩强度、支护承受压力、弹性模量等密切相关5、大变形隧道判断标准产生大变形的必要条件产生大变形的必要条件： a、原始地应力及围岩软弱构成高应力比 b、支护刚度不足大变形定义大变形定义 ： 初期支护变形大于25cm（单线隧道） 50cm（双线隧道） 6、大变形隧道主要处理办法、大变形隧道主要处
4、理办法 加大变形预留量加大变形预留量 设置长系统锚杆设置长系统锚杆 加强初期支护加强初期支护 、二次衬砌注浆加固围岩注浆加固围岩 二次初期支护7、F7断层支护变形特点初期支护一般在第初期支护一般在第6 68 8天变形量达到约天变形量达到约150mm150mm时，时，型钢表面喷射混凝土开始剥落型钢表面喷射混凝土开始剥落在第在第10101313天变形量约天变形量约250mm250mm时，出现明显裂纹时，出现明显裂纹在第在第20202424天时变形量约天时变形量约350350400mm400mm时彻底破坏，时彻底破坏，说明初期支护最大承受变形能力为说明初期支护最大承受变形能力为400mm400mm拆
5、换后的初期支护变形速度明显减小，但约拆换后的初期支护变形速度明显减小，但约1010天后天后还有加速的趋势，约第还有加速的趋势，约第4545天有明显裂纹天有明显裂纹典型断面量测结果8、二次支护方法探讨施工主要矛盾：施工主要矛盾： a a、由于围岩变形量大、速度快，从施工工序的角、由于围岩变形量大、速度快，从施工工序的角度来说，来不及施作二次衬砌就已经发生了大变形度来说，来不及施作二次衬砌就已经发生了大变形 b b、从二次衬砌受力的角度来说，过早施作二次衬、从二次衬砌受力的角度来说，过早施作二次衬砌，会造成二次衬砌承受过大的压力砌，会造成二次衬砌承受过大的压力 c c、加大变形预留量、加大变形预留
6、量 有限，变形超过有限，变形超过40cm40cm破坏破坏 d d、设置长系统锚杆施工速度慢，抑制变形有限、设置长系统锚杆施工速度慢，抑制变形有限 e e、围岩密实，注浆加固围岩方法也不可行、围岩密实，注浆加固围岩方法也不可行 f f、强行快速二次衬砌，导致承受过大压力、强行快速二次衬砌，导致承受过大压力几个认识误区二次衬砌越快越好（强支护措施） （过早衬砌导致二次衬砌承受过大压力）（过早衬砌导致二次衬砌承受过大压力）等待变形速率满足规范要求时衬砌 （长时间变形速率大，变形过大导致初期支护失效）（长时间变形速率大，变形过大导致初期支护失效）强初期支护可以抑制变形 （20cm20cm喷射混凝土承压
7、仅约喷射混凝土承压仅约1mPa1mPa）系统锚杆必须打至弹性变形区才有效 （防止初期支护弹性失稳，并提高岩性（防止初期支护弹性失稳，并提高岩性c c、 值）值）基本原理施工原则：先放后抗，先柔后刚开挖分二步开挖分二步第一步释放应力，待初期支护变形达到一定程度后第一步释放应力，待初期支护变形达到一定程度后再进行第二步扩挖或拆换，施作正式支护，以降低再进行第二步扩挖或拆换，施作正式支护，以降低二次衬砌前围岩的变形速率二次衬砌前围岩的变形速率最佳方案最佳方案 原位导坑超前，既可以起到超前释放应力的作原位导坑超前，既可以起到超前释放应力的作用，并把衬砌前围岩变形速率降到最低用，并把衬砌前围岩变形速率降
8、到最低 9、其他改进加强措施A A、改善洞型，采用圆形断面可以避免出现大的弯、改善洞型，采用圆形断面可以避免出现大的弯矩；矩；B B、加强二次衬砌来承受可能慢慢恢复的巨大的围、加强二次衬砌来承受可能慢慢恢复的巨大的围岩压力以及断层活动的影响；岩压力以及断层活动的影响；C C、预留补强衬砌空间，在出现衬砌破坏时采取补、预留补强衬砌空间，在出现衬砌破坏时采取补强措施；强措施；D D、初期支护与二次衬砌之间设置可压缩性夹层，、初期支护与二次衬砌之间设置可压缩性夹层，减缓衬砌承受的压力和避免断层活动对隧道的破坏，减缓衬砌承受的压力和避免断层活动对隧道的破坏，并使之相对较均匀承压。并使之相对较均匀承压。
9、10、施工监测技术目的：客观反映围岩变形 预测变形规律 及时采取措施10.1、监测项目隧道变形量测 初期支护拱顶下沉测点初期支护拱顶下沉测点 初期支护拱脚水平收敛测点初期支护拱脚水平收敛测点 初期支护墙脚水平收敛测点初期支护墙脚水平收敛测点 二次衬砌拱顶下沉测点二次衬砌拱顶下沉测点 二次衬砌最大跨处水平收敛二次衬砌最大跨处水平收敛测点测点 隧底隆起测点隧底隆起测点结构压力、应力监测 围岩与初期支护压力测点围岩与初期支护压力测点 初期支护应力测点初期支护应力测点 初期支护与二次衬砌之间压初期支护与二次衬砌之间压力测点力测点 二次衬砌应力测点二次衬砌应力测点 10.2、监测布置、频率初期支护拱顶下
10、沉及水平收敛测点间距10m，量测频率2次/d；二次衬砌拱顶下沉及水平收敛测点间距2030m，量测频率1次/3d；隧底隆起测点间距3050m，量测频率1次/7d。结构压力、应力监测读数频率1次/d 10.3、数据分析统计a、原始施工记录b、时间位移时态曲线图c、回归分析曲线图d、纵断面汇总图10.4、回归分析指数函数指数函数 (t=(t=时时 =a)=a)对数函数对数函数 (t=(t=时时 =a)=a)双曲线函数双曲线函数 (t= (t=时时 =1/b)=1/b)最小二乘法确定变量a、b以以 为例为例将函数转化为将函数转化为 lnulnu= =lnr-b/tlnr-b/t令令 y=y=lnulnu ; a= ; a=lnrlnr ; x=-1/t ; x=-1/t 得得y=y=a+bxa+bx 可得公式：可得公式：y= a+ y= a+ bxbx 还原公式得回归函数还原公式得回归函数
